水利工程混凝土面板堆石壩壩體填筑施工探討

王毅青

（山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

某抽水蓄能電站設計裝機容量3 600 M W，為大（一）型水利工程，電站大壩為混凝土面板堆石壩，包括墊層料、特殊墊層料、過渡料、主次堆石料、壩后干砌石、壩前坡擠壓邊墻等，壩體填筑施工的工程量共168.57萬m3，設計總工期1 289 d。壩體分為墊層區(qū)、過渡區(qū)、堆石區(qū)等區(qū)域，其中壩前碾壓砂漿之下的墊層區(qū)寬3.0 m，周邊縫隙下游的墊層區(qū)底寬2.0 m、頂寬0.5 m；過渡區(qū)位于河床基槽段全斷面、壩體和兩岸接觸面3.0 m寬以內(nèi)區(qū)域，以及墊層料下游寬3.0 m的范圍內(nèi)。堆石區(qū)和過渡區(qū)填筑料，主要采用工程所在地附近料場所提供的輝石閃長巖及凝灰?guī)r，墊層料則采用篩出超粒徑顆粒后的河床砂礫石料。

2 施工設計要求

2.1 施工分區(qū)

考慮到該水電站混凝土面板堆石壩，實際工作狀態(tài)及壩體結(jié)構(gòu)、作用，應在面板堆石壩壩體填筑施工前進行合理分區(qū)。

黏土鋪蓋區(qū)：該分區(qū)干容重設計值15～17 kN/m3，壓實度95.4%，粒徑＞0.075 mm的顆粒含量<40%，粒徑<0.055 mm的顆粒含量在20%以上，通過碾壓試驗所確定的土料滲透系數(shù)達不到1.2×10-6c m/s，為避免黏土鋪蓋遭沖刷破壞，還應通過粒徑在30 c m以內(nèi)，且干容重至少為19.5 k N/m3的任意級配石渣料，保護黏土鋪蓋表層。

墊層區(qū)：將料場開采的粒徑在80 mm以內(nèi)、粒徑＜5 mm顆粒含量在20%～35%，且壓實后的滲透系數(shù)至少為1.0×10-6c m/s的微風化巖石，通過砂石骨料加工系統(tǒng)加工摻配而成，孔隙率在18%以內(nèi)，且壓實后干密度值不小于2.2 t/m3。

特殊墊層區(qū)：采用工程附近料場開采的級配良好、粒徑在40 mm以內(nèi)，且粒徑<5 mm顆粒含量占比30%～45%的微風化巖石，經(jīng)砂石骨料系統(tǒng)摻配后的混合料，作為混凝土面板堆石壩周邊縫內(nèi)的特殊墊層料，所采用的壓實標準與墊層區(qū)相同。過渡區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)、下游護坡區(qū)等區(qū)域填筑技術(shù)參數(shù)詳見表1所示。

表1 面板堆石壩壩體各分區(qū)填筑參數(shù)設計

2.2 填筑參數(shù)

分區(qū)后采用《碾壓式土石壩施工規(guī)范》（D L/T 5129-2001）的相關(guān)規(guī)定，對該水電站混凝土面板堆石壩進行分區(qū)碾壓試驗[1]，堆石料試驗場地選擇在料場前平整、堅實、開闊區(qū)域，試驗場地和壓實試驗區(qū)面積，分別為25 m×30 m和15 m×25 m；過渡料試驗場地則設置在碾壓后的大壩填筑面，試驗場地和填筑區(qū)面積分別為20m×30m和15m×15 m；墊層料試驗場地則安排在生活區(qū)平整堅實、開闊地帶，試驗場地和試驗區(qū)面積分別為10 m×15 m和5 m×10 m。選用工作質(zhì)量18 t、振動輪直徑5 930 mm、輪寬2 410 mm、激振力300 k N、振頻28 H z、爬坡能力30%、發(fā)動機作用功率115 k W、轉(zhuǎn)彎半徑最小值6 500 mm的YZ-18 J C型自行振動碾，其工作速度分為2.86 km/h、5.30 km/h和9.70 km/h三檔。

按照表1設計參數(shù)進行混凝土面板堆石壩壩體填筑施工過程中，其壓實值在臨界值上下浮動，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，以上試驗數(shù)據(jù)均在單層填筑情況下取得，與該水電站混凝土面板堆石壩實際填筑條件存在差別，為此將上表中試驗數(shù)據(jù)進行校正：堆石料、過渡料、墊層料及小區(qū)料的鋪料厚度，應分別按照80 c m/層、40 c m/層、40 c m/層和20 c m/層確定，碾壓遍數(shù)分別為10遍、8遍、8遍、8遍；并在碾壓施工過程中通過灑水控制碾壓效果。

3 施工質(zhì)量控制要點

3.1 施工準備

壩體填筑前，將施工區(qū)域內(nèi)各種雜物、草皮、樹根等徹底清除；將岸坡坡度修整至1∶0.3以內(nèi)；將填筑區(qū)域內(nèi)開挖線以下部分包括勘探孔槽全部回填密實，封堵灌漿帷幕周圍的勘探孔，處理基礎(chǔ)范圍內(nèi)的地質(zhì)缺陷，按施工圖紙驗收。

3.2 測量控制

驗收合格后，進行測量，確定不同填筑區(qū)域的分界線，灑白石灰標出具體區(qū)域，在墊層區(qū)、過渡區(qū)、堆石區(qū)等設立標識牌，在兩岸巖坡上表明高程及樁號。在墊層上游邊線、過渡層交界線、主堆石區(qū)交界線的填筑過程中，按層測量和標線，嚴格控制填筑厚度和壩料攤鋪厚度。工程的定線、放樣、測量、驗收等資料必須及時整理歸檔。

3.3 攤鋪碾壓

上壩材料中超大塊石應剔除或破碎處理，待完成壩料級配、性能等的檢驗后，按照后退法在墊層區(qū)及過渡區(qū)鋪料，推土機平整處理；主堆石區(qū)鋪料應采用進占法，完成壩料攤鋪后，還應在壩面和壩外區(qū)域加水，以使石料充分潤濕，降低石料與石料之間的摩擦，通過振動增大碾壓密實度。

為控制含水量，避免夏季高溫導致材料失水，壩料邊卸邊鋪。對墊層料、過渡料、主堆石料、下游堆石料，應分別使用小型振動碾和大中型振動碾，順壩軸線方向碾壓，根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果確定碾壓遍數(shù)；為提升施工工效，應當從壩坡面開始，逐步向壩內(nèi)進退錯距碾壓施工，錯距寬度按照碾壓滾寬度與設計碾壓遍數(shù)比確定[2]。對于振動碾無法到達的邊緣區(qū)域，必須通過平板夯夯實。

為保證填筑施工質(zhì)量，墊料層、過渡層的主堆石料應當同時施工、均衡上升。在填筑大壩堆石體時，應避免不同料區(qū)交接面出現(xiàn)塊石集中，若粒徑差距過大應通過后退法卸料，對于交錯接縫，必須預留坡度小于1∶3的緩坡，并在設計邊線內(nèi)外側(cè)增設木板防護和超填線，如圖1所示。

圖1 墊層料施工示意圖

避免發(fā)生過壓、漏壓和欠壓。墊層料填筑每上升10～15 m高度，必須對墊層坡面進行削坡和碾壓處理。反鏟削坡必須每填筑3.0～5.0 m高度，通過激光控制削坡坡度1次。

3.4 壩體填筑質(zhì)量評價

3.4.1 壩體填筑質(zhì)量監(jiān)測

為保證壩體填筑施工質(zhì)量，各分區(qū)每填筑一層都必須進行一次試坑試驗，填筑高度每上升4.0 m必須進行一次一檢和二檢。一檢主要進行孔隙率、干密度和粒料相對密度等的檢測；二檢則主要在一檢基礎(chǔ)上，檢測含泥量、曲率系數(shù)、不均勻系數(shù)等。

采用灌水法取樣的試坑，應設置在壓實難度最大、較大粒徑集料分布密集區(qū)域，試坑直徑根據(jù)填筑料最大粒徑確定，試坑深度按照單層鋪料厚度確定。墊層區(qū)試驗共85組，斜坡碾壓區(qū)試驗23組，兩個區(qū)域墊層填筑檢測結(jié)果詳見表2所示。

表2 墊層填筑檢測結(jié)果

通過采用人工松填法測定最大干密度，采用振動法測定最大密度值，通過現(xiàn)場碾壓試驗，確定礫石含量對應的最大干密度，結(jié)果表明本水電站混凝土面板堆石壩壩體填筑施工效果良好。按照常規(guī)施工方案，壩體填筑工程量為168.57萬m3，擬施工工期1 289 d，而采用本文設計方案，填筑工程量為154.18萬m3，工期1 214 d。

水電站壩體填筑施工結(jié)束后，在大壩設置了14支測壓管，對大壩滲流情況和壩體施工質(zhì)量進行觀測評價。其中迎水坡、背水坡和壩腳處分別設置5支、4支和5支。

2020年11 月大壩壩體填筑施工結(jié)束后，從12月開始觀測，資料顯示，相同觀測斷面的測壓管水位，均表現(xiàn)出自上游向下游減小的趨勢，與水電站水位變動趨勢基本吻合：上游迎水坡測壓管水位與庫水位最為接近，下游截面處測壓管的水位比迎水坡水位低10 m左右，下游截面處及壩下測壓管水位較為一致，水頭差不超過1.0 m。測壓管水位監(jiān)測結(jié)果表明，該水電站黏土心墻所發(fā)揮的控制和降低壩體內(nèi)部浸潤面的作用十分顯著。

3.4.2 壩體垂直沉降監(jiān)測

分別在壩體最大斷面高程1 021 m和1 032 m處，設置兩層XN SC-100型水管式沉降儀，分別設置4個和3個監(jiān)測點，進行不同高程條件下壩體垂直沉降觀測。結(jié)果顯示，截止2020年11月，大壩壩體填筑施工結(jié)束后，包含觀測房4.0 c m沉降在內(nèi)，垂直沉降均值11.95 c m，壩體垂直沉降趨于穩(wěn)定，滿足垂直沉降在面板堆石壩壩體填筑高度中占比的相關(guān)規(guī)定[3]。

4 結(jié)論

本工程填筑施工實踐證明，混凝土面板堆石壩填筑施工便于就地取材，能充分利用當?shù)丶扔胁牧希喕┕み^程，降低工程造價。為保證施工質(zhì)量，必須嚴格按照相關(guān)規(guī)范及施工設計操作，并采用合理的分區(qū)填筑順序，以便有效解決相鄰接觸帶骨料分離等施工難題，提升筑壩強度。根據(jù)壩體填筑質(zhì)量檢測結(jié)果，壩體填筑均勻密實，且無大粒徑料集中及架空現(xiàn)象，質(zhì)量良好；垂直沉降觀測結(jié)果也表明，填筑施工后大壩沉降趨于穩(wěn)定。